indagini geofisiche del suolo - epc.it · abaco per curve teoriche a due strati ... 10.11.6 metodo...

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INDAGINI GEOFISICHE DEL SUOLOMetodi geoelettrici, prospezione sismica, tomografia, tecniche G.P.R.-Georadar, metodologia TDEM, archeometria

Testo aggiornato secondo le “Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni” D.M. 14/01/2008

Nel Cd-Rom allegato:- software Sismic per l’estrapolazione dei parametri fisico-meccanici dei terreni di fondazione- 30 fogli di calcolo in Excel articolati in 58 schede applicative

diFAUSTINO CETRARO

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INDICE GENERALE

PREFAZIONE ............................................................................... 13

CAPITOLO 1

CARATTERISTICHE FISICHE E MECCANICHE DELLE ROCCE................................................... 15

1.1 Concetti generali sulle rocce ..................................................15

1.2 Proprietà tecniche delle rocce ................................................20

1.2.1 Densità....................................................................... 201.2.2 Peso specifico e peso di volume .................................... 211.2.3 Porosità e compattezza ................................................ 221.2.4 Imbibizione................................................................. 231.2.5 Permeabilità................................................................ 241.2.6 Durezza ..................................................................... 251.2.7 Durevolezza e gelività.................................................. 251.2.8 Proprietà termiche........................................................ 261.2.9 Proprietà elettriche ....................................................... 261.2.10 Proprietà magnetiche ................................................... 27

1.3 Resistenza agli sforzi meccanici .............................................27

1.3.1 Resistenza alla compressione ........................................ 271.3.2 Resistenza al taglio ...................................................... 281.3.3 Resistenza alla flessione ............................................... 291.3.4 Resistenza alla trazione................................................ 30

1.4 Principali impieghi delle rocce nel campo dell’ingegneria civile .............................................31

1.5 Bibliografia .........................................................................33

APPROFONDIMENTI ............................................................................34

• Relazione tra parametri geotecnici ...................................... 34

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4 INDAGINI GEOFISICHE DEL SUOLO

CAPITOLO 2

METODI GEOELETTRICI PER L’ESPLORAZIONE DEL SOTTOSUOLO....................................................................... 35

2.1 Premessa .............................................................................35

2.2 Concetti sulla resistività elettrica delle rocce .............................35

2.2.1 Definizioni generali di conduttanza .............................. 41

2.3 Resistività apparente .............................................................42

2.4 Potenziali spontanei ..............................................................44

2.4.1 Potenziali di mineralizzazione...................................... 452.4.2 Potenziali elettrochimici ............................................... 462.4.3 Potenziali di elettrofiltrazione........................................ 46

2.5 Dispositivi e cenni teorici sui metodi di misurazione .....................................................................47

2.5.1 Dispositivo di Wenner ................................................. 482.5.2 Dispositivo di Schlumberger ......................................... 492.5.3 Dispositivo Dipolo - Dipolo ........................................... 50

2.6 Strumentazione ....................................................................52

2.7 Programmazione delle indagine .............................................54

2.8 Analisi ed interpretazione dei dati rilevati ................................56

2.8.1 Normalizzazione dei dati acquisiti................................ 562.8.2 Rappresentazione ed interpretazione ............................ 572.8.3 Sequenze elettrostratigrafiche a tre strati ........................ 582.8.4 Sequenze elettrostratigrafiche a più strati ....................... 592.8.5 Metodo della corrispondenza delle curve....................... 622.8.6 Metodo di Tagg.......................................................... 64

2.9 Cenni sulla ricostruzione delle pseudosezioni ...........................66

2.9.1 Tecniche di elaborazioni per modelli 2D........................ 66

2.10 Campi di applicazione ..........................................................68

• Vantaggi .......................................................................... 69• Limiti ................................................................................ 69

2.11 Bibliografia ..........................................................................69


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APPROFONDIMENTI ............................................................................70

Confronto fra dispositivi elettrodici .......................................... 70Abaco per curve teoriche a due strati (ρ2< ρ1).......................... 71Cenni sui sondaggi elettrici orizzontali e profili di resistività ....... 71Sintesi sui carotaggi elettrici in pozzo ...................................... 72Configurazioni elettrodiche .....................................................73

CAPITOLO 3

TECNICHE PER LA PROSPEZIONE SISMICA................................ 75

3.1 Premessa .............................................................................75

3.2 Conetti generali sui terremoti .................................................75

3.3 Cenni sulla struttura interna della terra ....................................78

3.4 Legge di Snell e principio di Huygens .....................................81

3.5 Fattori di controllo delle ampiezze dei segnali sismici ...............83

3.6 Densità medie delle litologie ..................................................84

3.7 Stima dei parametri geotecnici ...............................................85

• Coefficiente di poisson....................................................... 85• Modulo di deformazione dinamico o di Young ..................... 86

3.7.1 Modulo di incompressibilità (k)...................................... 883.7.2 Costanti di Lamé.......................................................... 883.7.3 Modulo di deformazione a taglio dinamico .................... 89

3.8 Stima delle velocità nei terreni ed associazione litologica ..........89

3.9 Sismica a rifrazione ..............................................................91

3.9.1 Strumentazione............................................................ 933.9.2 Metodologie interpretative ............................................ 943.9.3 Stratificazioni multiple .................................................. 963.9.4 Superficie topografica irregolare ................................... 983.9.5 Superfici di separazione inclinate .................................. 993.9.6 Profili coniugati ......................................................... 1023.9.7 Metodo reciproco generalizzato G.R.M. ...................... 1033.9.8 Metodo reciproco di Hawkins ..................................... 106



3.9.9 Vantaggi e limiti per la sismica a rifrazione.................. 107• Vantaggi ........................................................................ 107• Limiti .............................................................................. 107

3.10 Tecniche di rilevamento .......................................................108

3.11 Tecniche di rilevamento down hole – cross hole .....................110

3.12 Tecniche di rilevamento SASW .............................................113

3.13 Tecniche di rilevamento MASW ...........................................114

3.13.1 Curve modali in un semi-spazio stratificato................... 1153.13.2 Curva di dispersione apparente sperimentale ............... 1153.13.3 Curva di dispersione apparente numerica .................... 1163.13.4 Criterio per la scelta delle curve.................................. 1173.13.5 Strumentazione necessaria ......................................... 1183.13.6 Configurazione dei dispositivi .................................... 118

3.14 Tecnica di rilevamento ReMi ................................................120

3.15 Classificazione del sito ........................................................121

3.15.1 Metodo del Chinese Aseismic Design Code for Structures ......................................... 122

3.15.2 Metodo secondo l’Eurocodice - EC8............................ 1233.15.3 Normativa italiana - Nuove Norme Tecniche

per le Costruzioni D.M.14/01/2008.......................... 1233.15.4 Azione sismica ........................................................ 1233.15.5 Stati limite e relative probabilità di superamento ........... 1243.15.6 Categorie di sottosuolo e condizioni topografiche......... 1253.15.7 Valutazione dell’azione sismica .................................. 128

• Descrizione del moto sismico in superficie e sul piano di fondazione................................................. 128

• Spettro di risposta elastico in accelerazione........................ 128• Amplificazione stratigrafica .............................................. 130• Amplificazione topografica............................................... 131

3.16 Macrozonazione e microzonazione sismica ...........................137

3.17 Stima del fattore di amplificazione - microzonazione sismica locale .....................................................................138

3.17.1 Metodo di Midorikawa.............................................. 1393.17.2 Metodo di Borcherdt et al. ......................................... 1393.17.3 Metodo di Carrara e Rapolla ..................................... 140


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3.18 Rischio sismico nella pianificazione del territorio ....................141

3.18.1 Pericolosità ............................................................... 1423.18.2 Vulnerabilità ............................................................. 1423.18.3 Esposizione............................................................... 144

3.19 Bibliografia .......................................................................144

APPROFONDIMENTI ..........................................................................146

Controlli non distruttivi sui pali di fondazione ..........................146Cross - Hole........................................................................ 146Sintesi sulle prove vibrazionali ed ecometriche (metodi globali) 148• Approfondimento - Scala Richter ....................................... 150Domande e risposte............................................................. 153• Sintesi relativa ad un’indagine sismica a rifrazione ............. 155• Applicazione excel di esempio ......................................... 156

CAPITOLO 4

LIQUEFAZIONE DEI TERRENI IN CONDIZIONI SISMICHE ........................................................ 161

4.1 Introduzione ......................................................................161

4.2 Fattori che predispongono alla liquefazione dei terreni ...........161

4.3 Fattori geomorfologici e geomecanici dei terreni ....................162

4.4 Stima della magnitudo locale ...............................................163

4.5 Metodi basati sul concetto di magnitudo ...............................165

4.6 Verifica alla liquefazione ....................................................166

• Metodo di Andrus e Stokoe .............................................. 166

4.7 Indice di liquefazione .........................................................167

4.8 Interventi per la mitigazione del rischio .................................167

4.8.1 Drenaggi .................................................................. 1684.8.2 Compattazione e vibrocompattazione ......................... 1694.8.3 Heavy tamping.......................................................... 169

4.9 Bibliografia .......................................................................169



CAPITOLO 5

CENNI GENERALI SULLA TOMOGRAFIA .................................. 171

5.1 Premessa ...........................................................................171

5.2 Tomografia sismica .............................................................172

5.3 Attrezzatura necessaria .......................................................173

5.4 Elaborazione dei dati ..........................................................174

5.5 Tomografia sismica 3D a griglie sfalsate ...............................176

5.6 Campi di applicazioni ........................................................178

5.6.1 Vantaggi.................................................................. 1795.6.2 Limiti ....................................................................... 179

5.7 Bibliografia ........................................................................179

APPROFODIMENTI ............................................................................180

• Esempio di elaborazione finale ......................................... 180

CAPITOLO 6

ACCENNI SULLE TECNICHE G.P.R. - GEORADAR ..................... 181

6.1 Concetti generali ................................................................181

6.2 Principi sul funzionamento ...................................................182

6.3 Metodi di acquisizione dati .................................................183

6.4 Densità e regolarità dei dati acquisiti ...................................183

6.5 Propagazione delle onde elettromagnetiche ...........................184

6.5.1 La riflessione delle onde elettromagnetiche ................... 1846.5.2 L’attenuazione delle onde elettromagnetiche................. 1866.5.3 La propagazione

delle onde elettromagnetiche...................................... 1866.5.4 La velocità propagazione

delle onde elettromagnetiche...................................... 186

6.6 Strumentazione generica per rilievi GPR ...............................187


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6.6.1 Le antenne ................................................................ 187

6.7 Campi di applicazione .......................................................191

6.7.1 Applicazione in ingegneria civile ................................ 191

6.7.2 Applicazione in geologia ambientale........................... 191

6.7.3 Applicazione in ambito archeologico........................... 191

6.8 Vantaggi e limiti .................................................................191

6.8.1 Vantaggi .................................................................. 191

6.8.2 Limiti ........................................................................ 192

6.9 Bibliografia .......................................................................192

CAPITOLO 7

METODOLOGIA TDEM .............................................................. 193

7.1 Definizioni generali ...........................................................193

7.2 Principi generali del TDEM ..................................................193

7.3 Strumentazione e tecniche di rilevamento ..............................196

7.3.1 Operazioni di campagna ........................................... 197

7.4 Acquisizione ed elaborazione del segnale ............................199

7.5 Campi di applicazione .......................................................200

7.5.1 Vantaggi .................................................................. 200

7.5.2 Limiti ........................................................................ 200

• Esempio di elaborazione finale in termini di resistività apparente per un profilo elettromagnetico ....... 201

7.6 Bibliografia .......................................................................201


• Breve approfondimento – indagini pacometriche ................ 201

• Metodo di funzionamento ................................................ 202



CAPITOLO 8

METODOLOGIE GEOFISICHE APPLICATE ALLE DISCARICHE .................................................. 205

8.1 Generalità e sintesi sulle discariche .......................................205

8.2 Sintesi sui metodi innovativi per una discarica .......................207

8.3 Realizzazione di una discarica ............................................208

8.3.1 Scelata del sito da destinare a discarica ...................... 209

8.4 Indagini sulle discariche ......................................................210

8.4.1 Indagini preliminari ................................................... 211

8.5 Obiettivo da raggiungere ....................................................213

8.6 Elementi impermeabilizzanti per una discarica .......................214

8.7 Sintesi sul bilancio idrologico per una discarica .....................216

8.8 Metodologie di rilievo di tipo geofisico .................................216

8.8.1 Metodi geoelettrici .................................................... 2168.8.2 Metodi elettromagnetici ............................................. 2188.8.3 Metodi basati sul georadar ........................................ 2198.8.4 Metodi sismici .......................................................... 220

8.9 Bibliografia ........................................................................220

CAPITOLO 9

CENNI SULL’ARCHEOMETRIA ................................................... 223

9.1 Introduzione .......................................................................223

9.2 Metodi di ricerca in ambito geofisico ....................................224

9.3 Metodi magnetici ................................................................225

9.4 Anomalie magnetiche in zone archeologiche .........................228

9.5 Procedure di campo ............................................................228

9.6 Strumentazione ...................................................................229

9.6.1 Magnetometro a protoni ............................................ 230


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9.6.2 Magnetometro a saturazione ...................................... 230

9.7 Indagini a carattere generale da eseguire per un sito archeologico ....................................231

9.8 Bibliografia .......................................................................232


• Breve approfondimento sul magnetismo terrestre ................. 233Anomalie del campo magnetico............................................ 235Cartografia IGRF................................................................. 235Poli geomagnetici................................................................ 236Proprietà magnetiche dei materiali ........................................ 237

CAPITOLO 10

SOFTWARE SISMIC VER. 1.0 MANUALE D’USO........................ 239

10.1 Introduzione ......................................................................239

10.2 Requisiti minimi richiesti dal Software ...................................239

• Configurazione minima Hardware ................................... 239• Configurazione minima Software ..................................... 239

10.3 Installazione ......................................................................240

10.4 Disinstallazione ..................................................................242

10.5 Attivazione del software ......................................................243

10.6 Interfaccia principale ..........................................................247

10.7 Applicazione Elabosismic ....................................................248

10.8 Applicazione Sismic Vs30 ...................................................250

10.9 Applicazione Correlation ....................................................253

10.10 Avvisi ................................................................................255

10.11 Teorie di calcolo ................................................................256

10.11.1 Modulo di deformazione dinamico o di Young.............. 25610.11.2 Relazioni fra moduli e velocità sismiche........................ 25710.11.3 Modulo di deformazione a taglio dinamico .................. 25710.11.4 Metodo di Yoshida e Motonori.................................... 258



10.11.5 Metodo di Ohta & Goto ............................................ 25810.11.6 Metodo diretto - De Mello .......................................... 25910.11.7 Metodo diretto - Owasaki & Iwasaki ........................... 26010.11.8 Metodo indiretto Gibbs & Holtz .................................. 26010.11.9 Normativa italiana (da nuove

“Norme Tecniche per le Costruzioni”).......................... 260

10.12 Bibliografia ........................................................................262

Appendici................................................................................... 263

• Appendice conversioni..................................................... 265• Forze ............................................................................. 265• Pressioni......................................................................... 266• Pesi................................................................................ 268• Lunghezze ...................................................................... 269• Superfici......................................................................... 270• Volumi

viscosità dinamica e cinematica ........................................ 270• Appendice

pesi specifici dei materiali ................................................ 271


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PREFAZIONE

Le esigenze di operare, sempre più con le moderne tecniche di rilevamentocapaci di far fronte alle diverse problematiche, ha portato ad un sviluppo dellatecnologia connessa alle attività ed alle numerose esperienze effettuate danumerosi ricercatori sia in campo geologico che ingegneristico. Ciò fa di que-sto libro un manuale pratico sintetico ed applicativo, senza disperdersi troppoin trattati puramente teorici.

Tuttavia, la trattazione degli argomenti sviluppati avrebbero potuto preve-dere un maggiore approfondimento, ma la scelta è stata quella di dare le infor-mazioni necessarie e sufficienti per affrontare le normali e spesso delicatesituazioni della pratica quotidiana.

L’attenzione del testo è rivolta agli aspetti applicativi in generale, in mododa fornire al lettore un valido strumento capace di eseguire ed interpretareindagini attraverso metodi di studio di tipo indiretto, fra i quali spiccano lageoelettrica, la sismica con le più comuni tecniche applicative, la tomografiaelettrica e sismica, il georadar, il TDEM (Time-Domain ElectroMagnetic), edaltre ancora come ad esempio le tecniche sui controlli non distruttivi sulle strut-ture esistenti. Inoltre si riportano delle applicazioni pratiche relative agli studidi valutazione sulle discariche e sulle ricerche archeologiche da effettuarsimediante le metodologie geofisiche.

Il volume è corredato da numerose tabelle e diagrammi di notevole utilitàpratica in modo da semplificare nel modo più completo possibile la compren-sione stessa dei temi trattati. Poiché il testo nasce come una guida allo studiodelle problematiche più comuni, si raccomanda al lettore per ulteriori appro-fondimenti di consultare la bibliografia allegata.

Per dare all’opera letteraria un maggior valore, sono stati realizzati ed alle-gati al testo 30 di fogli excel® articolati in 58 schede applicative fra i qualispiccano, per maggior interesse, gli applicativi relativi all’individuazione dellapericolosità del sito attraverso gli spettri di risposta elastici, le analisi e le azionidi progetto. Oltre ad un software realizzato con la nuova ed ormai diffusa tec-nologia .Net. Il software nasce come applicativo alle più comuni esigenze daparte dei tecnici che si trovano a dover estrapolare parametri, da correlare allecaratteristiche geotecniche ed elastiche dei terreni di fondazione, attraversometodologie sismiche (stima del Vs30 da Nuove Norme Tecniche per le costru-



zioni). Le applicazioni contenute nel software sono state studiate in modo taleda poter essere utilizzate sia singolarmente che contemporaneamente, in basealle proprie esigenze.

Si rivolge ai tecnici professionisti quali, geologi, ingegneri ecc. che operanonel settore della geofisica applicata alle opere di ingegneria civile.

L’Autore


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CAPITOLO 1

CARATTERISTICHE FISICHE E MECCANICHE DELLE ROCCE

1.1 Concetti generali sulle rocce

Le rocce si definiscono come aggregati naturali di uno o più minerali rappre-sentanti il risultato di un processo evolutivo con tendenze all’equilibrio. Taleprocesso si ripete e si sviluppa in modo regolare sino a grande scala. Si pre-sentano come insiemi di specie mineralogiche, come ad esempio i conglome-rati, i quali possono avere una composizione molto complessa, o in altri casicon una sola specie predominate come i calcari, costituiti quasi interamente dacalcite. A seconda del processo che dà loro origine litogenesi, le rocce vengo-no distinte in tre grandi categorie:

- Sedimentarie (precipitazione da una soluzione);- Metamorfiche (ricristallizzazione allo stato solido);- Magmatiche (cristallizzazione da un fuso).

Figura 1.1Ciclo delle rocce

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Le rocce sedimentarie sono le rocce che hanno avuto origine da sedimenta-zione di detriti inorganici, organici e sali minerali, consolidate a seguito di unprocesso di deposizione e/o precipitazione di una sostanza cementata. Si for-mano sulla superficie terrestre per accumulo di materiale derivato da roccepreesistenti, disgregate dall’azione degli agenti atmosferici, attraverso proces-si di compattazione e litificazione. Sono le rocce più diffuse sulla superficie ter-restre in quanto coprono oltre l’80% delle terre emerse.

Normalmente quasi tutte si presentano stratificate e con superficie di aniso-tropia perlopiù orizzontali e che separano zone a composizione mineralogicadiversa. Si parla di concordanza e discordanza a seconda della disposizionedegli strati, parallelamente e reciprocamente angolati.

Si classificano in:

- Rocce di origine chimica;- Rocce di origine organica (organogene);- Rocce organiche;- Rocce detritiche;- Rocce piroclastiche;- Rocce di origine mista.

Le caratteristiche delle rocce sedimentarie si possono riassumere neiseguenti punti:

Figura 1.2Schema di

classificazionedelle rocce

sedimentarie


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- Evidente stratificazione;- Morfologie aspre e bizzarre;- Presenza di fossili;- Calcari di scogliera non stratificati;- Morene senza stratificazione definita né selezione dei granuli.

Le rocce metamorfiche invece, si originano per trasformazione di rocce pre-esistenti nella crosta terrestre in seguito a variazioni di pressione e temperatu-ra. Le rocce che vengono a trovarsi in prossimità di corpi intrusivi subiscono unmetamorfismo detto di contatto, con grado decrescente via via che ci si allon-tana dalla massa calda dell’intrusione. Una roccia formatasi attraverso i pro-cessi di metamorfismo da un’altra, viene definita metamorfica di basso, medioo alto grado, a seconda che sia stata interessata da fenomeni di variazione dipressione o temperatura da poco a molto intensi.

Quando intere parti della crosta terrestre vengono a trovarsi nel campod’azione di forti pressioni e di alte temperature, in seguito a spinte e a movi-menti tettonici, si attua una trasformazione metamorfica che interessa vasticomplessi rocciosi, estesi anche per centinaia di chilometri quadrati, portandocosì al processo di metamorfismo regionale.

Il grado di metamorfismo dipende in particolare dalla temperatura raggiun-ta, mentre il tipo di metamorfismo dalla pressione. In base a tali osservazionisi sono definite delle zone crostali a grado metamorfico crescente secondo laseguente tabella:

Questa suddivisione è schematica e obsoleta ma è ancora utile in quantodefinisce rapidamente le condizioni di formazione dei vari tipi di rocce meta-morfiche.

Tab. 1.1 – Suddivisione delle zone crostali secondo il grado ed il tipo di metamorfismo

ZONE METAMORFICHE PROFONDITÀ [Km] TEMPERATURA [°C] PRESSIONE [bar]

Epizona 8 -10 300 - 400 3

Mesozona 18 – 20 500 - 600 5

Catazona 30 - 35 700 - 800 9



Di seguito si riassumono le caratteristiche delle rocce metamorfiche:

- I cristalli sono generalmente grandi, riconoscibili ad occhio nudo;- Completa cristallizzazione;- Lucentezza spesso sericea;- Assenza di fossili;- Danno luogo a morfologie montuose dolci ed ondulate;- Superficie di scistosità rugose ed irregolari;- Compattezza notevole senza cavità;- Scistosità più o meno evidente.

Le rocce magmatiche si formano direttamente dal magma, cioè per conso-lidamento di fusi ad alta temperatura sia all’interno della crosta terrestre chesulla sua superficie. Se il magma viene emesso in superficie attraverso unapparato vulcanico, la roccia che si forma per raffreddamento viene detta vul-canica effusiva. Se invece una massa di magma raffredda in profondità, cioènon raggiunge la superficie terrestre e non dà luogo a fenomeni vulcanici, allo-ra la roccia che si forma viene chiamata intrusiva (graniti e granitoidi). Le roccemagmatiche effusive possono essere molto diverse una dall’altra e della loroclassificazione si occupa in particolare la vulcanologia.

Schematicamente, possono essere suddivise tra quelle derivanti dalla solidi-ficazione di colate di lava emesse durante le eruzioni effusive (prevalentemente

Figura 1.3Diagrammaschematicopressione/

temperaturadelle facies

metamorfiche


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basalti) e quelle formate dall’accumulo di particelle di magma frammentato(piroclasti) emesse durante le eruzioni esplosive (rocce piroclastiche e tufi vul-canici).

L’aspetto di tali rocce è dovuto in gran parte al contenuto in silice (SiO2).Infatti, le rocce acide, con alto contenuto in silice (> 65%), appaiono chiare;quelle basiche, a basso contenuto in silice (< 52%) o ultrabasiche (< 45%), sonoscure.

Aspetti e caratteristiche delle rocce plutoniche:

- Cristalli grandi, riconoscibili ad occhio nudo;- Struttura molto compatta;- Assenza di fossili;- Determinano catene montuose con morfologia dolce ed ondulata;- Massa cristallina;- Nel campione non si riconosce, in genere, alcuna direzione preferenziale e

i minerali sono casualmente distribuiti;- Se presenti, le fessure sono all’incirca perpendicolari tra loro.

Aspetti e caratteristiche delle rocce vulcaniche:

- Assenza di fossili nelle vulcaniti; talora compaiono in tufiti e in pirocla-stiti;

Figura 1.4Nomenclatura dei corpi geologici



- La massa di fondo è microcristallina o amorfa con porzioni vetrose;- Pochi individui sono ben cristallizzati (struttura porfirica);- Presentano numerose e piccole cavità;- Frequenti le strutture colonnari;- Spesso hanno strutture fluidali.

1.2 Proprietà tecniche delle rocce

1.2.1 Densità

La densità media della Terra è di circa 5,5 g/cm3. Tale valore si ricava dalrapporto tra la massa del pianeta (ottenuta mediante misure di gravità) ed ilsuo volume, è risulta più elevato della densità delle rocce campionate in super-ficie (circa 2,7 g/cm3).

La differenza si deve al fatto che la composizione della Terra non è omoge-nea, ma in profondità risultano esserci materiali metallici (ferro e nichel) condensità di circa 13 g/cm3.

La migrazione dei materiali più densi verso il centro della Terra e dei menodensi verso la superficie, si pensa che sia stata possibile solo quando la Terra(4,6 miliardi di anni fa) era quasi completamente allo stato fuso.

Figura 1.5Suddivisione

schematicadell’internodella Terra


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1.2.2 Peso specifico e peso di volume

Il peso specifico è il rapporto tra il peso e il volume della parte solida checostituisce la roccia. Si determina sul campione ridotto in polvere (per elimina-re tutti gli eventuali pori) mediante l’uso di un picnometro.

dove

d rappresenta la densità,

m la massa,

V il volume,

P il peso,

g l’accelerazione di gravità (~ 9,8 m/s2).

Il peso di volume, detto anche “peso apparente o densità apparente” è ilrapporto tra il peso della roccia e il suo volume (compreso i vuoti). Si determinasu provini di forma geometrica regolare tenuti in stufe a temperatura di (110± 5)°C fino a peso costante.

Il volume si determina su campioni completamenti saturi d’acqua misurandoil volume di acqua spostata in un recipiente graduato.

Tab. 1.2 - Pesi specifici apparenti (da Artini E., Hoepli, Mi, 1964)

ROCCIA PESO SPECIFICO APPARENTE [t/m3]

Pomice 0,50 – 1,10

Tufo vulcanico 1,10 – 1,75

Calcare tufaceo 1,12 – 2,00

Sabbia grossa asciutta 1,40 – 1,50

Sabbia fine asciutta 1,40 – 1,60

Sabbia fine umida 1,90 – 2,00

Arenaria 1,80 – 2,70

Argilla asciutta 2,00 – 2,25

Calcare tenero 2,00 – 2,40

Travertino 2,20 – 2,50

Dolomia 2,30 – 2,85

]/[ 3cmgVmd == ]/[ 3mN

Vgm

VPPs =

⋅==



1.2.3 Porosità e compattezza

La porosità φ è una grandezza scalare ed è definita come il rapporto tra ilvolume dei vuoti Vp ed il volume totale Vt.

Nelle rocce è compresa tra 0,01 (limite delle misure sperimentali) e 0,7(argille) e deve essere distinta in porosità assoluta (o totale) e porosità effettiva(o interconnessa).

I fattori che condizionano tale grandezza nelle rocce clastiche sono la gra-nulometria e la disposizione dei granuli. Si distingue in alta (> 15%), media(15% - 5%) e bassa (< 5%).

Calcare compatto 2,40 – 2,70

Porfido 2,45 – 2,70

Granito 2,55 – 2,90

Diorite 2,75 – 3,00

Basalto 2,75 – 3,10

Tab. 1.3 – Porosità totale di alcune rocce

ROCCE POROSITÀ

Ghiaie 35%

Sabbie 37% – 41%

Limi 35% – 45%

Argille 45% – 50%

Arenarie 7% – 34%

Argilloscisti 0,4% – 10%

Travertini 5% – 12%

Tab. 1.2 - (segue) Pesi specifici apparenti (da Artini E., Hoepli, Mi, 1964)

ROCCIA PESO SPECIFICO APPARENTE [t/m3]

GAS

ACQUA

PARTICELLE

Vg

Vw

Vs

Vt

[%]100 =⋅=VtVpφ

VwVgVp +=

VsVwVgVt ++=

Figura 1.6Fasi costituenti

un elementodi terreno


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Si definisce compattezza o grado di compattezza il rapporto tra il peso divolume e il peso specifico. Per tanto più il peso di volume si avvicina al valoredel peso specifico è più la roccia sarà compatta (il grado di compattezzaaumenta al diminuire dei vuoti nella roccia).

1.2.4 Imbibizione

L’imbibizione è l’assorbimento di un liquido da parte di un solido senza chesi verifichino reazioni chimiche, può essere:

- capillare (quando l’assorbimento avviene riempiendo le piccole cavità natu-rali del corpo solido, il cui volume non muta);

- molecolare (quando l’assorbimento avviene da parte di un corpo solidocompatto che diventa colloidale, aumentando di volume);

- osmotica (quando è dovuta al fenomeno dell’osmosi, cioè alla diffusione chesi verifica fra due liquidi miscibili a diversa concentrazione, separati damembrane permeabili.

Si definisce coefficiente di imbibizione riferito al peso, l’aumento percen-tuale di peso che la roccia presenta a seguito di prolungata immersione inacqua sino al raggiungimento del peso costante. Mentre rispetto al volume sidefinisce come la percentuale di volume della roccia che viene riempita diacqua a seguito di una prolungata immersione. È evidente che tale coefficientenon potrà mai essere superiore alla porosità totale della roccia. Al più potràessere uguale alla porosità apparente. Il rapporto tra tale coefficiente e laporosità totale definisce il grado di saturazione, ed esprime la percentuale deivuoti presenti nella roccia che vengono riempiti dall’acqua di imbibizione.

Calcari compatti 0,4% – 12%

Tufi vulcanici 20% – 30%

Gneiss 0,4% – 2%

Graniti 0,4% – 1,2%

Basalti 0,2% – 0,9%

Tab. 1.3 – (segue) Porosità totale di alcune rocce

ROCCE POROSITÀ

PspecificoPvolumeaCompattezz =



1.2.5 Permeabilità

La permeabilità K in geologia è una proprietà delle rocce di lasciarsi attra-versare dai fluidi. Il valore della permeabilità è di grande importanza perdeterminare la produttività dei giacimenti di idrocarburi o dei pozzi per la pro-duzione d’acqua. Anche se in natura non esistono litologie completamenteimpermeabili, nello studio delle acque sotterranee si fa distinzione tra roccepermeabili e rocce impermeabili, a seconda della facilità con cui le acquepenetrano, circolano e si distribuiscono nel sottosuolo.

Si possono distinguere due tipi di permeabilità:

- per porosità (tipica nelle rocce porose);

- per fessurazione ( tipica nelle rocce fessurate).

L’espressione matematica per il calcolo di tale proprietà è la seguente:

dove

Q è la quantità di fluido in (cm3), con viscosità μ (in centipoise), che passa nel

tempo t (in secondi), attraverso un campione roccioso con spessore h (in cm)

e con sezione S (in cm2) sotto una differenza di pressione ΔP (in atm).

][darcyPtShQK =

Δ⋅⋅⋅⋅

=μ

scmdarcy /101 3−≈⋅

Figura 1.7Permeabilità

all’acqua


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1.2.6 Durezza

La durezza è un valore numerico che indica le caratteristiche di deformabilitàplastica di un materiale. È definita come la resistenza alla deformazione per-manente di una roccia dipende dalla durezza e dalla struttura, infatti le roccea grana fine sono più dure di quelle a grana grossa. Esistono diverse scale permisurare la durezza dei materiali, le più usate sono:

- Brinell, si basa sulla misura del diametro dell’impronta lasciata dal penetra-tore;

- Vickers, si basa sullo stesso principio della precedente; - Rockwell, si basa sull’affondamento diretto dell’impronta e non sulla durez-

za misurata come pressione;- Mohs, è un criterio empirico per la valutazione della durezza dei materiali;- Mediante sclerometro.

1.2.7 Durevolezza e gelività

La durevolezza è la resistenza opposta dalle rocce agli agenti atmosfericiche tendono ad alterarle o a disgregarle. Dipende da fattori intrisici propriedei minerali (es. composizione) ed estrinseci (es. condizioni climatiche).

Tab. 1.4 - Scala di Mohs

TENERI (SI SCALFISCONO CON L’UNGHIA)

1 Talco

2 Gesso

SEMI DURI (SI RIGANO CON UNA PUNTA D’ACCIAIO)

3 Calcite

4 Fluorite

5 Apatite

DURI (NON SI RIGANO CON LA PUNTA DI ACCIAIO)

6 Ortoclasio

7 Quarzo

8 Topazio

9 Corindone

10 Diamante



Per gelività si intende una proprietà di alcuni tipi di materiali lapidei in basealla quale si verifica il deterioramento del materiale stesso. Tale deterioramentoavviene per opera dell’acqua: alcuni tipi di materiale lapideo possiedono porientro i quali si deposita l’acqua, poi con l’abbassamento della temperatura, siverifica il passaggio di stato dell’acqua allo stato solido. Solidificando l’acquaaumenta di volume, sottoponendo la roccia ad una sollecitazione di tipo mec-canico che a lungo andare ne provoca il deterioramento.

1.2.8 Proprietà termiche

Le proprietà termiche di una roccia sono molto importanti, in quanto permet-tono l’immagazzinamento del calore, la conducibilità termica o l’isolamentotermico da una fonte di calore.

1.2.9 Proprietà elettriche

Sono proprietà fisiche che hanno alcuni cristalli di far apparire caricheelettriche sotto l’influenza di variazioni di pressione (piezoelettricità) o ditemperatura (piroelettricità). Queste proprietà sono direttamente legateall’anistropia del sistema cristallino. L’esistenza della piroelettricità è statanota dalla fine del XVIII secolo (esperienze di R. J. Hauy sulla tormalina), maè la piezoelettricità, studiata nel 1880 da Jacques e Pierre Curie, che presen-ta il più grande interesse pratico (vibrazione a frequenza costante sottol’influenza di un campo elettrico, fenomeno utilizzato nel trasmettitore radioe negli orologi al quarzo).

Tab. 1.5 - Conducibilità termica (cal/cm·s·°C).

Gesso 3,10 · 10-3 Sabbia asciutta 2,65 - 5,5 · 10-3

Mattoni pieni 1,0 - 1,2 · 10-3 Vetro 1,7 - 2,9 · 10-3

Lana di vetro 0,10 · 10-3 Calcestruzzo 2 - 3 · 10-3

Porfidi 7,6 - 8,6 · 10-3 Graniti 6,2 - 9,5 · 10-3

Tufi 1 - 4 · 10-3 Basalti 3,7 · 10-3

Argilloscisti 2,8 - 5,6 · 10-3 Pomice 0,3 · 10-3

Marmi 5 - 6 · 10-3 Argille 3,10 · 10-3

Dolomie 9,6 - 13.2 · 10-3 Arenaria 3,5 - 10,2 · 10-3


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1.2.10 Proprietà magnetiche

Le proprietà magnetiche di alcuni minerali presentano ugualmente una gran-dissima importanza, come la magnetite. Essi sono dunque notevoli calamitenaturali, ma le specie interessate a questo tipo di magnetismo (ferromagneti-smo) rimangono relativamente rare (in assoluto, ossidi doppi a struttura spinel-lo). Il magnetismo presente in una data fase mineralogica scompare al di sopradi una certa temperatura (punto di Curie ~ 950°C per il ferro), ma è suscettibilea ricomparsa nel corso del raffreddamento, fermando la direzione del campomagnetico terrestre a quel dato istante.

1.3 Resistenza agli sforzi meccanici

La resistenza meccanica è la capacità dei materiali di resistere a forze stati-che esterne, tendenti a modificarne la forma e la dimensione, senza subire rot-ture o deformazioni permanenti. La resistenza meccanica dei materiali ai varitipi di sollecitazione statica può essere misurata con prove specifiche di com-pressione, torsione, flessione, taglio e trazione.

1.3.1 Resistenza alla compressione

È definita come il carico unitario che provoca la rottura di un provino, di for-ma geometrica regolare, sottoposto ad una sollecitazione di compressionenormale con dilatazione laterale libera. Normalmente i provini sono di formacubica, ma la difficoltà di ottenere provini con facce perfettamente piane eparallele fa si che vada sempre più affermandosi la prassi di impiegare provinidi forma cilindrica.

’1’1 ’1

’3a) b) c)

a) Compressione sferica σ’1 = σ’2= σ’3

b) Compressione edometrica σ’2= σ’3 ≠ 0; ε2 = ε3 = 0

c) Compressione triassiale drenata σ’2= σ’3 = cost.

Figura 1.8Schemi generali sulla resistenza a compressione



Il comportamento di un terreno non è lineare, inoltre dipende fortementedal tipo di sollecitazione:

- K’ e Eed aumentano al crescere di ε1

- E’ diminuisce al crescere di ε1

1.3.2 Resistenza al taglio

La resistenza al taglio di un terreno in una direzione è la massima tensionetangenziale, τf , che può essere applicata alla struttura del terreno, in quelladirezione, prima che si verifichi la “rottura”. La rottura può essere improvvisae definitiva, con perdita totale di resistenza (come avviene generalmente pergli ammassi rocciosi), oppure può avere luogo dopo grandi deformazioni pla-stiche, senza completa perdita di resistenza, come si verifica spesso nei terreni.

Lo scopo della prova di taglio diretto è quello di determinare i valori di coe-sione c ed angolo di attrito interno φ del materiale in esame in condizioni dre-nate. La prova si basa sul principio di Mohr-Columb che descrive la relazionetra la massima resistenza al taglio τf e la tensione normale σn secondol’espressione:

ma essendo la prova in condizioni drenate vale il principio di Terzaghi sulletensioni efficaci, perciò:

dove corrisponde alla pressione efficacie σ’n = (σn- u) u la pressione dell’acqua

1

’1

E’

Eed

3 K’

Compressione triassiale

compressionesferica Compressione

edometrica

Mezzo elastico lineare

’1Compressione sferica

compressioneedometrica

rottura

1

Compressione triassiale

Comportamento reale del terreno

Figura 1.9Diagrammi

schematici suicomportamenti

di un terreno

φστ tan⋅+= nf c

'tan''' φστ ⋅+= nf c


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nel campione e c’ e φ rispettivamente la coesione e l’angolo di attrito in condi-zioni drenate.

1.3.3 Resistenza alla flessione

La resistenza a flessione è un parametro caratteristico di ogni materiale ecorrisponde alla massima tensione che un provino sottoposto a sollecitazionedi flessione crescente può sopportare prima di rompersi. Si determina carican-do in mezzeria una lastra in roccia ed appoggiata alle estremità su due coltellia spigoli arrotondati sino a provocarne la rottura.

Tab. 1.6 - Resistenze a taglio, angoli e coefficienti di attrito interno di alcune rocce (da Famer, 1951).

ROCCIARESISTENZA AL TAGLIO

[ kgP /cm2 ]ANGOLO DI ATTRITO INTERNO [ GRADI ° ]

COEFFICIENTE DI ATTRITO INTERNO

Granito 140 – 500 45 – 60 1,0 – 1,8Dolerite 250 – 600 55 – 60 1,4 – 1,8Basalto 200 – 600 50 – 55 1,2 – 1,4Arenaria 80 – 400 35 – 50 0,7 – 1,2Argilloscisto 30 – 300 15 – 30 0,25 – 0,6Calcare 100 – 500 35 – 50 0,7 – 1,2Quarzite 200 – 600 50 – 60 1,2 – 1,8Marmo 150 – 300 35 – 50 0,7 – 1,2

Figura 1.1Inviluppo di rottura secondo Mohr-Columb

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hblP

f ⋅⋅

⋅=σ



dove

σf rappresenta la resistenza alla flessione

P il carico applicato,

l la distanza dei coltelli

b ed h rispettivamente la larghezza e lo spessore della lastra.

1.3.4 Resistenza alla trazione

Tale proprietà è data dalla capacità di una roccia di opporsi alle forze chetendono a romperla per trazione. Per determinarla si opera su provini sago-mati in forma particolare, posti fra le ganasce di una macchina che genera unosforzo crescente di trazione fino alla rottura del provino. Le difficoltà esecutivedi tale prova, connessa soprattutto alla preparazione dei provini e alle moda-lità di applicazione dello sforzo di trazione, nonché le incertezze derivanti dal-la possibile presenza nella roccia di piani preferenziali di minor resistenza. Laresistenza alla trazione è data da:

dove

P è il carico di rottura

A l’area della superficie di rottura

Tab. 1.7 - Resistenza alla trazione e alla compressione di alcune rocce

ROCCIA TRAZIONE [ MPa ] COMPRESSIONE [ MPa ]

Granito 7 – 25 100 – 250

Diorite 15 – 30 180 – 300

Gabbro 15 – 30 180 – 300

Basalto 10 – 30 150 – 300

Arenaria 4 – 25 20 – 170

Argillite 2 – 10 10 – 100

Calcare 5 – 25 30 – 250

Dolomia 15 – 25 80 – 250

Marmo 7 – 20 100 – 250

AP

tr =σ


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1.4 Principali impieghi delle rocce nel campo dell’ingegneria civile

Le rocce sono state impiegate come materiali naturali da costruzione fin daitempi più antichi per le loro eccezionali qualità. Infatti, sono state utilizzate siaper la costruzione di edifici che per la preparazione di ornamenti, sia a scopicelebrativi che rituali.

La maggioranza delle rocce che affiorano sulla superficie terrestre possonoessere utilizzate come pietra da costruzione, sono poche quelle che non si pre-stano all’uso. Perché una roccia possa fornire il materiale adatto all’architettu-ra devono però essere soddisfatti alcuni fattori fondamentali. Sono statepertanto stabilite dalle “Norme per l’Accettazione dei Materiali da Costruzio-ne” (N.A.M.C.) che prevedono che vengano effettuati sia saggi chimici sia pro-ve fisico-meccaniche.

Le più importanti caratteristiche da valutare per usare una roccia come mate-riale da costruzione sono:

- peso specifico apparente;- grado di compattezza o indice di porosità;- coefficiente di imbibizione;- gelività;- durevolezza.

Tra le rocce che non soddisfano tali caratteristiche si annoverano le roccesedimentarie in cui è presente una componente argillosa (marne, argilliti). Sitratta di rocce poco coerenti, sottilmente stratificate che però forniscono lamateria prima per la fabbricazione del cemento Portland e, quando la compo-nente argillosa è preponderante, i prodotti ceramici.Altre rocce inadatte all’impiego sono le vulcaniti ricche di componente vetrosa(ossidiana, pomice), e le rocce metamorfiche molto scistose (filladi).

Le rocce utilizzate in ambito civile sono state suddivise secondo i diversi litoti-pi individuabili sulla base di una classificazione genetica delle rocce. Di cia-scun litotipo vengono riportate, in forma di scheda, le diverse caratteristiche inriferimento all’impiego come materiale da costruzione. In particolare sonoelencati: i minerali e gli elementi chimici principali (considerati come ossidi); lastruttura, la grana ed il colore prevalente, la massa volumetrica apparente(espressa in g/cm3), le diverse tipologie, la lavorabilità intesa come attitudinea lasciarsi modellare in forme adeguate, i principali impieghi in ambito civile,ed i principali fenomeni di alterazione e le cause che li originano.



Tab. 1.8 - Proprietà di alcune rocce impiegate in ambito civile

DENOMINAZIONE GRANITO DIORITE SIENITE

Classificazione magmatica plutonica magmatica plutonica magmatica plutonica

Minerali qz, Kfl, plc, bt plc, orb, qz Kfl; plc; afb

Chimismo Si, Al, K, Na, Fe Si, Al, Ca, Fe, Mg, Na Si, Al, K, Na, Fe, Ca,Mg

Struttura granulare granulare granulare

Grana media media media

Colore bianco, rosa, rosso,punti neri

grigio scuro viola, punti neri

Massa vol. app. 2,6 2,9 2,7

Tipologie blocco, lastra blocco, lastra blocco, lastra

Lavorabilità scarsa; lucidabile scarsa; lucidabile scarsa; lucidabile

Uso muro, colonna, pavi-mento

muro, colonna muro, pavimento

Alterazione scagliatura, polverizza-zione

scagliatura, polveriz-zazione

scagliatura, polverizza-zione

Cause degrado cristallizzazione sali cristallizzazione sali cristallizzazione sali

DENOMINAZIONE CONGLOMERATOARENARIA

CEM. CALCITICOTUFO

Classificazione sedimentaria clastica sedimentaria clastica sedim. piroclastica

Minerali variabili qz, Kfl, msc agt, bt, lct

Chimismo variabile variabile variabile

Grana molto grossolana fine grossolana

Colore multiplo grigio, giallo grigio, giallo

Massa vol. app. variabile 2,1 1,8

Tipologie blocchi blocco, lastra blocchi

Lavorabilità scarsa buona ottima

Uso muro muro, scultura muro

Alterazione erosione, distacco erosione polverizzazione

Cause degrado dissoluzione cementocalcitico

dissoluzionecemento

cristallizzazione sali

DENOMINAZIONE CALCARE FOSSILIFERO DOLOMIA TRAVERTINO

Classificazione sedimentaria biochi-mica

sedimentaria chimica sedimentaria chimica


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1.5 Bibliografia

- Casati P., Scienze della Terra, Città Studi Ed. 1996.- Mottana A., Crespi, R., Liborio, G.; Minerali e rocce, Mondadori Ed. 1987.- Schumann W., Minerali gemme e rocce - Istituto geografico De Agostini, Ed.

1987.- Artini E., Le rocce, Hoepli, Milano, 1964.- Ippolito F., Nicotera P., Lucini P., Civita M., De Riso R., - Geologia tecnica -

ISEDI - TO 2005.- Colombo P., Elementi di Geotecnica, Zanichelli, Bologna, 1974.

Minerali calcite dolomite calcite

Chimismo Ca Ca, Mg Ca

Tessitura wackestone ricristallizzata boundstone

Colore bianco, rosso, rosa,giallo

bianco, rosa bianco, bruno

Massa vol. app. variabile 2,5 2,3

Tipologie blocco, lastra blocco, lastra blocco, lastra

Lavorabilità buona, lucidabile buona buona, lucidabile

Uso decorazione, muro decorazione, muro muro

Alterazione erosione erosione erosione

Cause degrado dissoluzione dissoluzione dissoluzione(*) qz = quarzo; Kfl = feldspato potassico; plc = plagioclasio; bt = biotite; afb = anfibolo; orb = orneblenda, msc = muscovite; agt = augite; lct = leucite, Ca = calcio, Mg = magnesio.

Tab. 1.8 (segue) - Proprietà di alcune rocce impiegate in ambito civile



APPROFONDIMENTI

RELAZIONE TRA PARAMETRI GEOTECNICI

- Contenuto d’acqua

- Peso specifico

- Grado di saturazione

- Indice dei vuoti

- Indice di porosità

- Peso rapportato all’acqua

[%]100 =⋅=solido

acqua

WW

w

ariaacquasolido

acquasolido

totale

totalespe VVV

WWVW

Ps++

+=== γ

ariaacquasolido

solidoco VVV

W++

=secγ

[%]100 =⋅=vuoti

acqua

VV

S

solido

vuoti

VV

e =

ariaacquasolido

vuoti

VVVV

n++

=

acqua

solido

acqua

solido

solido

solidoVW

Gγγ

γ== 1==

acqua

acqua

acqua

acqua

VW

Gγ


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